HOME

하이드로겔 타입의 콘택트렌즈 시료를 제작하기 의해 가장 기본적인 원재료인 HEMA(2-Hydroxyethyl Methacrylate)는 BIMAX(BX-HEMA-PC, USA)에서 구입하여 정제과정 없이 사용하였으며, 중합개시제는 AIBN(2,2’-Azobisisobuty-ronitrile)은 JUNSEI(JAPAN)에서 구입하여 사용하였다. 교차결합제로는 EGDMA(Ethylene Gylcol Dimethacrylate)는 TCI(JAPAN)에서 구입하여 사용하였다. MA(Methacrylic Acid)는 JUNSEI(JAPAN)에서 구입하여 사용하였으며, 콘택트렌즈에 표면습윤성을 강화하고, 다양한 의약품, 의료기기(Medical Devices) 등에서 생체적합성으로 알려져 있으며 물성의 개질화를 위해 공중합시 첨가하는 본 연구개발에 적용하는 소재 포스포러스(PC)는(Methacryloyloxyethyl)-2’-(trime-thylammoniumethyl) phosphate, inner salt (PC)(Fig. 1)는 Sigma Aldrich)에서 구입하여 시료 제작하였다.

Fig. 1. 
Chemical structure of phosphorus polymers (PC)

단백질흡착 평가를 위해 실험에 사용되는 시약 중 lysozyme, bovine serum albumin는 AMERESCO사 (USA) 제품을 사용하였으며, NaCl, KCl, CaCl₂, NaHCO₃을 비롯한 그 외 시약 Sodium dodecy sulfate(SDS)는 SIGMA ALDRICH 제품을 사용하였으며, Pierce BCA Protein Assay Kit는 Thermo SCIENTIFIC 제품을 사용하였다.

하이드로겔 콘택트렌즈 시료의 구조분석과 공중합상태를 알아보기 위하여 FT-IR 스펙트럼을 Fig. 2, Fig. 3에 나타내었다. Fig. 2의 MA조성으로 구성된 시료에서 COOH⁻ 피크가 1556 cm⁻¹에서 확인되었다. 포스포러스(PC)소재이누 Fig. 3의 MP시리즈 시료에서는 -POCH₂ 그룹 Vibration이 1240 cm⁻¹ 피크에서 나타났으며, -N+(CH³)³과 —COO- 흡수 피크가 970 cm⁻¹과 1725 cm−1에서 관찰되었으며 함량이 증가할수록 피크강도가 증가되었다. 그러나 PC성분이 함유되지 않은 POL 시료에서는 –N+(CH³)³ 피크와, 그리고 메타트릴릭산의 카르복실 그룹이 함유되지 않아 피크가 나타나지 아니하여 PC성분이 함유된 MP시료와 MA 성분이 함유된 MA시료 하이드로겔 콘택트렌즈들은 1640 cm⁻¹에서 C=C 결합의 피크가 나타나지 않아 공중합이 되었음을 확인할 수 있었다.

Fig. 2. 
FT-IR spectra of MA01, 02, 03, POL hydrogel contact lens samples.

Fig. 3. 
FT-IR spectra of MP01, 02, 03, POL hydrogel contact lens samples.

포스포러스(PC) 성분으로 구성된 MP시료들의 하이드로겔 콘택트렌즈의열안정성을 평가하기 위해 TG를 분석하였다. Fig. 4와 Fig. 5에서 보여주듯이 3단계의 분해영역으로 나눌 수 있으며, 첫 번째로 대부분의 시료들이 0~160^oC이전에서는 160^oC 근처에서 부분적으로 분해된 하이드록실 그룹으로 인해 무게 손실이 미세하게 관찰되었으나 이는 탈수와 연관성이 있으며, 두 번째는 290~300^oC 부근에서 무게 손실이 나타났다. 이 온도에서는 molecular chain의 부패, 분해 및 열분해를 시작할 수 있는 온도이다. 그리고 마지막으로 370~430^oC 주위에서 main-chain의 분해반응과 고분자 골격의 열화로 인하여 손실이 확인되었다. 그러나 POL시료를 포함하여 모든 하이드로겔 콘택트렌즈 시료들은 높은 열안정성으로 유사하게 나타났으며, 메타크릴릭산과 포스포러스 소재의 공중합 여부와 관계없이 물성에 영향을 주지는 아니하는 것으로 판단되었다.

Fig. 4. 
TGA results for MA01, 02, 03, POL hydrogel contact lens samples.

Fig. 5. 
TGA results for MP01, 02, 03, POL hydrogel contact lens samples.

하이드로겔은 콘택트렌즈를 포함한 생체 재료 및 의약품 분야에서 다양하면서 광범위하게 연구되고 있는데 그 중 함수율은 겔(gel)상태에서 가장 중요한 단일 물성으로 평가되고 있으며, 고분자 물질내의 수분 분포는 하이드로겔에게 주어지는 독특한 성질이다.

안광학 의료기기인 하이드로겔 콘택트렌즈 함수율을 측정하기 위하여 중량측정법으로 측정하였는데, 호모폴리머인 PHEMA 단독인 POL 경우에는 평균 40.15%로 측정되었으며, MA 시료들은 각각 MA01은 50.46%, MA02는 66.47%, 그리고 MA03은 63.84%로 관찰되었다. 동일한 조건에서 MP 시료들은 MP01은 51.41%. MP02는 61.03%, 그리고 MP03은 70.48%로 측정되었다.

MA 시료들은 고분자 매트릭스내에 음이온 전위(negative charged)의 이온성 그룹(ionized groups)이 있어서 이온성 그룹 함량이 늘어날수록 함수율이 증가, 수분을 흡수하는 것으로 관찰되었으며, 임계 함량이 도달되면 오히려 약간 감소되는 것으로 나타났다. 그에 반해 MP 시료들은 고분자 매트릭스 내에 극성기의 포스포러스 그룹의 존재로 함량이 증가하면 할수록 함수율은 증가했다. 측정결과는 Table 2와 Fig. 6으로 제시하였다.

Fig. 6. 
Equilibrium water content(%) results for POL, MA series, MP series hydrogel contact lens samples.

각막 표면에 접촉하여 사용하는 콘택트렌즈에서 산소투과율(산소투과성)은 각막 자체는 무혈관 조직으로 외부에서 산소를 공급 받아야 하는 구조로 각막의 생리학적 측면에서는 매우 중요한 특성 중에 하나이다. 산소투과율은 재질의 물리적인 고유의 성질로서 수 년동안 많은 연구대상이 되어왔다. Fatt의 연구에 의하면 산소투과율은 고분자 재질내에서 움이는 산소 분자들의 능력이라고 정의하고 있다. 그래서 수분속에 충분히 산소가 녹아 들어가야 한다는 것으로 용해계수(k)라고 정의하였으며, 용해된 산소 분자를 얼마나 빠르게 각막쪽으로 전달시킬 것인 즉, 확산계수(D)로 표현해서 1 atm(760 mmHg)일 때 1초동안 1 cm 두께의 렌즈의 단위면적당 지나가는 양을 ml로 나타낸 값이 산소투과율(Dk)이다.

비실리콘 계열의 하이드로겔 콘택트렌즈는 함수율과 밀접한 관계가 많다. 즉, 함수율의 증가하면 산소투과율도 증가하며, 함수율이 낮은 값으로 제시되면 산소투과율도 감소한다. 그러나 최근 개발되어 상품화되고 있는 실리콘 소재들의 하이드로겔 제품들은 이러한 원리와는 다르며 이는 재질 속의 실리콘 분자의 특성 때문에 그렇게 나타난다고 여겨진다.

대조군으로 사용되고 있는 호모폴리머인 PHEMA 고분자 단독(POL)인 경우, 임상적으로 8~10 (Dk)정도로 본 연구에서도 유사한 근사치로 관찰되었다. MA 시료들은 MA의 함량이 증가하면서 즉, 함수율이 증가하면서 산소투과율도 증가하는 것으로 나타났으며, MP 시료들 또한 동일한 결과로 나타났다. 그 결과는 Fig. 7에 제시하였다.

Fig. 7. 
Oxygen permeability (Dk, 10^-11) results for POL, MA series, MP series hydrogel contact lens samples.

광학적 특성을 비롯해서 하이드로겔 콘택트렌즈 재료에 요구되는 중요한 인자 중 한 가지가 기계적 특성 중 인장강도가 포함된다. 1970년대 최초로 소프트콘택트렌즈가 소개된 시절에는 선반절삭법으로 렌즈를 두껍게 가공하던 시절이라 콘택트렌즈에 기계적 특성을 고려하지 않았다. 최근에는 다양한 재질 발달과 임상적으로 얇은 두께 선호도 그리고 단시간 중합의 대량생산 시스템으로 인한 Cast Molding 방식으로 하이드로겔 콘택트렌즈를 제작하기 때문에 렌즈의 취급(삽입, 제거), 눈동자에서의 움직임, 과내구성, 장기 보존 등 다양한 의미로 기계적 특성은 중요하고 이는 다시 Tensile Modulus(모듈러스), Tensile Strength (인장강도) 그리고 Elongation to Break(신축성) 등으로 확인할 수 있으며 본 연구에서는 필름 형태의 시편을 제작하여 인장강도를 측정하였다. 그 결과는 평균값으로 Fig. 8~ Fig. 15에 제시하였다. PHEMA의 호모폴리머로 구성된 POL필름 시편은 0.255 MPa로 나타났으며, 이온성 그룹으로 구성된 MA 시료 필름들은 0.254 MPa, 0.232 MPa 그리고 0.398 MPa로 나타났다. MA01보다는 MA02가 함수율이 더 높아지면서 인장강도도 낮아졌다. 그러나 MA03은 MA함량이 더 늘어났지만 함수율이 MA02보다는 낮아지면서 인장강도는 높아졌다. 그리고 포스포러스 그룹으로 형성된 MP시료 필름들은 전체적으로 다른 시료들에 비해 함수율이 증가하면서 인장강도는 낮게 나타났으며, 0.117 MPa, 0.086 MPa, 그리고 0.041 MPa로 확인되었다. 하이드로겔 콘택트렌즈의 인장강도 특성은 함수율과 연관성이 높다.

Fig. 8. 
Tensile strength(MPa) of hydrogel film samples.

Fig. 9. 
Tensile strengh of POL samples (average: 0.225 MPa).

Fig. 10. 
Tensile strengh of MA01 samples (average: 0.254 MPa).

Fig. 11. 
Tensile strengh of MA02 samples (average: 0.232 MPa).

Fig. 12. 
Tensile strengh of MA03 samples (average: 0.398 MPa).

Fig. 13. 
Tensile strengh of MP01 samples (average: 0.117 MPa).

Fig. 14. 
Tensile strengh of MP02 samples (average: 0.086 MPa).

Fig. 15. 
Tensile strengh of MP03 samples (average: 0.041 MPa).

함수율이 낮으면 인장강도 데이터가 높게 나오며, 함수율이 높으면 MP 시료 필름들처럼 인장강도가 낮게 나타난다. 콘택트렌즈 고분자에 사용되는 모노머들은 친수성(Hydrophilic), 소수성(Hydrophobic), 이온성(Ionic)등 물성을 개질하기 위해 여러 가지 첨가제들이 사용될 수 있으며 유사한 함수율이라도 어떤 첨가제를 도입했느냐에 따라 인장강도도 다르게 나타난다. 인장강도를 증가시키기 위해서는 소수성과 가교제를 증가시킨다. MA시료들처럼 이온성 성분들은 소량으로 첨가해도 함수율이라든지, 물성을 변화시킬 수 있으나 단백질 침착과 같은 다른 특성에 영향을 끼칠 수 있기 때문에 세심한 관심을 가져야 한다.

그러나 포스포러스는 인지질 극성기를 가지며 전기적으로 중성에 해당된다. 그래서 수분과도 친화력이 높아 다른 첨가제들보다는 함수율을 높아질 수 있는 반면에 인장강도는 낮게 나오는 것으로 생각된다.

Wichterle로 인하여 발견된 HEMA 재질의 소프트콘택트렌즈는 그 이전 유리(Glass) 혹은 PMMA 재질보다는 유연성과 착용감 그리고 습윤성에서 좋은 평가를 받았다. 그러나 환자들의 요구조건은 더 한층 높아졌다. 그 중 중요한 인자가 착용감과 연계되는 습윤성이며 콘택트렌즈는 각막 표면에 접촉하여 사용하는 것으로 누액과 콘택트렌즈 재질과의 연관성은 매우 중요하다. 재질에 따라서는 렌즈 표면의 눈물의 증발 속도가 빨라 장시간 착용할 경우 각막 표면의 누액의 양이 부족하여 건조감을 느낄 수 있고 이로 인한 콘택트렌즈 착용을 중단하는 경우도 많다. 이를 해결하기 위해 렌즈 표면 습윤성을 개선시키려는 많은 연구들이 있어왔다. 하이드로겔 콘택트렌즈에서 습윤성(Wettability or hydrophobicity)을 표현하는 첫 번째 물리적 성질로 습윤각(접촉각)을 측정하는 것으로, solid 표면에 액체가 어느정도 쉽게 널리 퍼질 수 있는 정도를 의미하며, 액체가 solid 표면에서 이루는 각도로 표현한다. 하이드로겔 콘택트렌즈에서는 습윤각이 작을수록 hydrophilic surface에 가깝다고 할 수 있으며 콘택트렌즈를 안전하게 그리고 착용감이 양호하다 라고 임상적으로 표현하면서 착용시간이 늘어날 수 있다. 최근 상품화되고 있는 하이드로겔 콘택트렌즈 습윤각은 15°~80°로 조사되었다. 본 연구에서는 편평하게 처리한 하이드로겔 콘택트렌즈 시료 표면에 증류수 2~3 μl를 떨어뜨려 상온에서 Contact angle goniometer를 이용하여 액체가 이루는 각을 측정하였으며 대조군(POL)에 대한 상대적인 측정값으로 특징을 평가하였다.

그 결과는 Fig. 16, 17에 제시하였다. PHEMA의 호모폴리머인 POL 시료는 습윤각이 53.25° 측정되었으며, 이온성 그룹인 MA 시료들은 각각 MA01은 41.19°, MA02는 41.11° 그리고 MA03은 26.57°로 이온성 그룹 함량이 증가될수록 습윤각은 감소되는 경향으로 나타났다. MP시료들은 MP01은 49.5°, MP02는 42.59° 그리고 MP03은 27.31로 확인되었다. 친수성이 높은 포스포러스 그룹으로 구성된 MP시료들도 포스포러스 함량이 증가할수록 습윤각은 감소했다. 단순히 적은 습윤각으로만 습윤성을 평가하지는 않는다. 다만 현재까지 사용하는 PHEMA재질인 POL시료보다는 MA시료, MP시료 둘다 습윤각이 낮게 관찰됨으로써 상대적으로 습윤성이 양호한것으로 사료된다.

Fig. 16. 
Contact angle(°) of hydrogel samples.

Fig. 17. 
Contact angle(°) photo of hydrogel samples.

콘택트렌즈를 착용하는 동안 지질, 뮤신 그리고 단백질로 구성된 누액이 렌즈 표면에 부착할 수 있다. 그 중 비실리콘 계열의 렌즈들은 누액 중 단백질이 제일 많이 부착될 수 있으며 부착된 물질들은 불편감, 시력 저하 그리고 염증 반응을 유발할 수 있다. 각 시료별로 단백질 부착량을 측정하였다. PHEMA로 구성된 POL시료는 53.25(μg/cm²)로 나타났으며, MA시료들은 MA01 125(μg/cm²), MS02는 175(μg/cm²) 그리고 MA03시료들은 165(μg/cm²)로 측정되었다. 대체적으로 MA성분이 증가할수록 단백질 부착량이 증가하는데, MA성분이 들어간 시료들은 MA가 이온성 그룹으로 시료가 Negative(음이온) 이온전위를 가지므로써 Positive(양이온) 이온을 지닌 단백질 등을 정전기적인 인력으로 흡착이 일어나는 것으로 사료된다.

포스포러스 성분으로 구성된 MP시료에서 MP01은 25(μg/cm²), MP02는 4.6(μg/cm²) 그리고 MP03는 1.5(μg/cm²)로 확인되었다. 포스포러스 함량이 증가할수록 단백질 부착량이 감소했으며, 다른 시료들보다는 상대적으로 월등히 적은 량의 단백질이 흡착되었다. 함수율을 증가시킬 수 있는 ionic한 소재가 함유된 MA시료들과도 비교하면 상대적으로 월등히 적은 량의 단백질이 부착되었다. MA시료들과 또 다른 차이가 있다면 MA함량이 어느 정도 이상이 되면(MA03) 오히려 부착량이 감소되는 경향으로 확인되었다. 그러나 MP시료들은 포스포러스 함량이 증가하면 비례해서 단백질 흡착량은 감소하게 나타났다. 포스포러스 성분은 양이온 및 음이온 전하를 동시에 가지고 있는 중성의 전기적 특성으로 이러한 결과가 나타난 것으로 생각된다. 그 결과는 Fig. 18에 제시하였다.

Fig. 18. 
Protein deposition (μg/cm2) of hydrogel samples.